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창원 상
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 5 pp , 엔진냉각수유량단속에의한디젤차량의연비및배기가스특성연구 김성철 1* 1 자동차부품연구원그린카파워트레인연구본부 A Study on the Characteristics of Fuel Consumption and Emissions of Diesel Vehicles Using Engine Coolant Flow Rate On/Off Control Sung Chul Kim 1* 1 Green Car Powertrain R&D Division, Korea Automotive Technology Institute 요약내연기관차량에전자기식클러치워터펌프의적용은연비향상및배기가스저감을꾀할수있다. 이러한클러치워터펌프는엔진냉각시스템의유량단속에의하여최적운전조건을가능케한다. 본연구에서는클러치워터펌프를이용한냉각시스템을제어함으로써디젤차량의연비및배기가스특성을살펴보았다. 전자기식클러치워터펌프에의한저온시동시냉각수흐름을차단하여아이들조건에서예열시간을기존워터펌프대비 49% 정도단축시켰고, 주행중에는냉각수가최적고온상태를유지하도록제어하였다. 그리하여 NEDC 모드에서연소효율이개선되어최대 5% 정도의연비향상효과를나타내었다. 또한 NOx를제외한 HC, CO 및 CO 2 배기가스의농도가전반적으로감소하였다. Abstract The use of the electromagnetic clutch water pump for internal combustion engine vehicles saves fuel and leads to a reduction in emissions. The clutch water pump allows the engine cooling system to select the optimum operation condition by using coolant flow rate on/off control. This study investigated the characteristics of fuel consumption and emissions of the diesel engine cooling system using the clutch water pump. The electromagnetic clutch operation reduced by about 49% of engine warm up period at idle condition and controlled the optimum high coolant temperature at driving condition. Therefore, fuel consumption was enhanced by about 5%, and emissions such as HC, CO and CO 2 were also reduced to a certain degree even though NOx increased a little bit, compared to those of the conventional water pump under NEDC mode which represents the real driving pattern. Key Words : Water pump, Electromagnetic clutch, Fuel consumption, Emission, Warm-up, NEDC 1. 서론 전세계적으로고유가및환경규제문제를극복하고자연비의향상과배기가스를저감할수있는고효율 친환경자동차기술을발전시켜나가고있다. 특히, 대기오염으로인한지구온난화에대하여관심이더욱더높아지는시점에서배기가스규제는갈수록강화되어지고있으며, 연비규제까지확대적용되고있다. 이러한흐름에맞 추어, 엔진열관리및냉각시스템최적화에관한기술개발의추세는엔진성능향상은물론이고배기가스저감에관한기술적 / 환경적연비개선에중점을두고개발되어지고있다 [1-3]. 엔진의저온시동시에예열시간이지연되게되면, 엔진시동에관여하는부품요소들이그능력을충분히발휘하지못하여냉각손실, 배기손실및연소효율저하로이어져연비로까지영향을미친다 [4]. 최근에는소 * Corresponding Author : Sung Chul Kim(Korea Automotive Technology Institute) Tel: sckim@katech.re.kr Received February 8, 2013 Revised March 11, 2013 Accepted May 9,

한국산학기술학회논문지제 14 권제 5 호, 2013 형트럭, 승용차등디젤엔진의보급성이다양화되는데, 디젤엔진의경우예열시간이가솔린엔진에비하여떨어지므로저온시동시엔진예열의확보는중요한문제로인식된다. 워터펌프는차량엔진의적절한온도유지를위해냉각수순환을제어하는역할을담당하는부품이며, 저온시동시엔진성능에악영향을미치게된다.

최근엔진의예열시간을단축시고주행중엔진열효율을최적화할수있는유량단속식 (On/Off 제어, 승용디젤 ) 및가변유량식 (2단변속제어, 상용디젤 ) 클러치워터펌프에대한연구가활발히진행되고있다 [5,6]. 또한, Dayco사는마찰식구조의클러치장치를풀리외부에적용한워터펌프의제어방법을연구수행하였으며, 상용화단계에까지이른제품도나오고있다 [7].

이러한전자기식클러치시제품의사진은 Fig. 2에나타내었다. (a) W/P On (Clutch Off) 2. 실험장치및방법 2.

2 한국산학기술학회논문지제 14 권제 5 호, 2013 형트럭, 승용차등디젤엔진의보급성이다양화되는데, 디젤엔진의경우예열시간이가솔린엔진에비하여떨어지므로저온시동시엔진예열의확보는중요한문제로인식된다. 워터펌프는차량엔진의적절한온도유지를위해냉각수순환을제어하는역할을담당하는부품이며, 저온시동시엔진성능에악영향을미치게된다. 엔진의예열시간단축을위하여기존의기계식냉각시스템으로는기구적으로어려움이있다. 하지만클러치워터펌프를적용할경우, 워터펌프풀리가엔진의회전과연동되어벨트로구동되는기계식워터펌프와는달리, 벨트로구동되는풀리내부에전자기식클러치가결합되어독립적이고능동적인워터펌프작동이가능하므로, 엔진예열시간을단축시킬수있고, 배기가스저감과연비향상을꾀할수있다. 최근엔진의예열시간을단축시고주행중엔진열효율을최적화할수있는유량단속식 (On/Off 제어, 승용디젤 ) 및가변유량식 (2단변속제어, 상용디젤 ) 클러치워터펌프에대한연구가활발히진행되고있다 [5,6]. 또한, Dayco사는마찰식구조의클러치장치를풀리외부에적용한워터펌프의제어방법을연구수행하였으며, 상용화단계에까지이른제품도나오고있다 [7]. 본연구에서는유량단속식클러치워터펌프를디젤차량에적용하여저온시동시엔진예열시간을단축시키고, On/Off 제어에의한유럽표준주행모드인 NEDC(New European Driving Cycle) 를통하여연비성능향상과배기가스저감효과를알아보고자한다. 펌프정지시에는클러치시스템의작동으로코일에서의전자기력에의해마찰재와디스크간서로분리가되어풀리만공회전하는상태가된다. 이러한전자기식클러치시제품의사진은 Fig. 2에나타내었다. (a) W/P On (Clutch Off) 2. 실험장치및방법 2.1 클러치워터펌프실험장치본연구에서는유량단속식클러치워터펌프의작동제어를위하여, 엔진에서온도가가장높은부위인실린더헤드부의냉각수온도를제어변수로하여설정온도이하이면클러치에전원이인가되어임펠러구동이정지되므로유량단속이이루어지고, 반대로설정온도이상이면전원공급이중단되어임펠러가회전하도록제어로직초안을구성하였다. 또한, 이러한작동원리를갖는유량단속장치는클러치의오작동시에도워터펌프가회전하게되어엔진냉각의안전성문제를자동적으로해결하였다. 전자기식클러치워터펌프의작동유무에따른시스템개략도는 Fig. 1(a),(b) 에나타내었다. 워터펌프구동시클러치시스템의미작동으로기계적인스프링힘에의해동력이마찰재에서디스크로전달된다. 반대로워터 (b) W/P Off (Clutch On) [Fig. 1] Schematic diagram of the electro- magnetic clutch system [Fig. 2] Photograph of the electromagnetic clutch water pump 2070

엔진냉각수유량단속에의한디젤차량의연비및배기가스특성연구 작동과연동될수있게하였다. 이는보다클러치워터펌프의최적제어에도움이될것으로판단하였다. 온도센서는 K타입의열전대로서온도측정범위 0~800, 오차 ±0.2 내외이고, 유량계는미국 Turbines 사의터빈유량계이며측정범위 19~190 lpm, 오차 ±1.0% 내외이다.

0 VDCi 엔진장착차량에 Fig. 3에서와같이시험장치를설치하였다. 차대동력계시험에사용된평가장비는 AVL 사의 48인치싱글롤다이나모미터, Pierburg 사의배출가스분석계, 희석터널, 유량측정기등으로구성되어있다.

3 엔진냉각수유량단속에의한디젤차량의연비및배기가스특성연구 작동과연동될수있게하였다. 이는보다클러치워터펌프의최적제어에도움이될것으로판단하였다. 온도센서는 K타입의열전대로서온도측정범위 0~800, 오차 ±0.2 내외이고, 유량계는미국 Turbines 사의터빈유량계이며측정범위 19~190 lpm, 오차 ±1.0% 내외이다. 또한, 냉각수유량단속을위한클러치작동제어기와각부위의온도및유량측정값을저장할수있도록데이터획득장치를차량에장착하였다. [Fig. 3] Schematic diagram of vehicle test facility [Fig. 4] Schematic diagram of an engine cooling system 실제차량에서클러치워터펌프시제품의성능평가를위하여, 디젤 2.0 VDCi 엔진장착차량에 Fig. 3에서와같이시험장치를설치하였다. 차대동력계시험에사용된평가장비는 AVL 사의 48인치싱글롤다이나모미터, Pierburg 사의배출가스분석계, 희석터널, 유량측정기등으로구성되어있다. 배기가스분석은임계유량벤츄리형정용량시료채취장치 (CFV: 20 m 3 /min) 를사용하여일정량의공기와희석시킨후시료채취백에담아분석하여자동차의단위주행거리 (km) 당시험오염물질배출량을산출하였다. Fig. 4에서보여지는바와같이, 실린더헤드내부워터자켓중온도가가장높은부분으로예상되는지점 ( 제어변수 #1) 과써모스탯전 ( 제어변수 #2)/ 후단, 워터펌프입구, 엔진오일팬등에온도센서를장착하였고, 냉각수가써모스탯을지나라디에이터입구로흐르는지점에유량계를설치하여방열을위한냉각수의흐름을파악하였다. 실린더헤드온도와더불어써모스탯의온도를클러치워터펌프의제어변수로선정하여써모스탯의 2.2 실험조건및방법 본실험은차량상태에서무부하조건인아이들상태로의웜업시험과도로주행을모사한 NEDC 모드로시험을각각수행하였다. 웜업시험의경우엔진예열시간을알아보기위하여, 상온측정실에차량을일정시간 (6시간이상 ) 동안유지한후아이들상태에서 1시간동안데이터를측정하였다. 차대동력계시험평가는유럽규제시험모드인 NEDC(ECE15+ EUDC) 로진행하였으며, 이는현재국내디젤용연비 / 배기가스인증시험모드로도지정되어사용하고있다. 시험의주행사이클은도시주행모드 (ECE15) 와고속주행모드 (EUDC) 로분류되어있으며, 총주행거리는 km이고총주행시간은 1,180초이다. 평균속도는 ECE15와 EUDC 각각 18.7 km/h, 62.6 km/h로주행패턴에따라운전하여각종데이터가실시간으로측정된다. 실험은 1,2차에걸쳐서 Case 1~4로진행하였으며, 유량단속을위한각각의클러치에의해워터펌프제어온도조건을 Table 1,2와같이설정하였다. [Table 1] Basic control logic of clutch water pump Case 1 Case 2 Clutch Water pump Engine head >95 Engine head >100 Off On Engine head <80 Engine head <85 On Off [Table 2] Improved control logic of clutch water pump Case 3 Engine head >105 or Thermostat >100 Engine head <100 and Thermostat <98 Case 4 Engine head >110 or Thermostat >105 Engine head <105 and Thermostat <103 Clutch Off On Water pump On Off 2071

한국산학기술학회논문지제 14 권제 5 호, 2013 3. 실험결과및분석 3.1 Warm-up 시험 유량단속식클러치워터펌프를적용한차량에서, 아이들상태로 1시간동안웜업 ( 예열 ) 실험을한결과를 Fig. 5에나타내었다.

능이적정하게운전되어지고, 그이상의온도가되면엔진과열로인한성능감소가발생할수있으므로, 이를최대설정온도로판단하여적용하였다. Fig. 6(b) 에서는개선된제어로직이적용된경우, 고온영역에서실린더헤드내부및써모스탯전단의냉각수온도는변화폭이크지않고, 안정적으로온도제어가잘이루어지는것을알수있다. (a) Case 1,2 [Fig.

4 한국산학기술학회논문지제 14 권제 5 호, 실험결과및분석 3.1 Warm-up 시험 유량단속식클러치워터펌프를적용한차량에서, 아이들상태로 1시간동안웜업 ( 예열 ) 실험을한결과를 Fig. 5에나타내었다. 써모스탯이개방되는근처시점인실린더헤드온도 80 를기준으로하여기존기계식워터펌프의경우약 53분이걸렸으나, 엔진냉각수의유량단속에의한클러치워터펌프는약 27분이소요되었다. 이는기계식대비약 49% 정도의웜업시간단축효과를나타낸것이다. 이러한결과는클러치에전원이인가되어엔진내부로의냉각수유량을차단하여작동초기에불필요한냉각이상당히감소하였기때문이다. 능이적정하게운전되어지고, 그이상의온도가되면엔진과열로인한성능감소가발생할수있으므로, 이를최대설정온도로판단하여적용하였다. Fig. 6(b) 에서는개선된제어로직이적용된경우, 고온영역에서실린더헤드내부및써모스탯전단의냉각수온도는변화폭이크지않고, 안정적으로온도제어가잘이루어지는것을알수있다. (a) Case 1,2 [Fig. 5] Warm-up test result at idle condition 3.2 차대동력계시험 Fig. 6(a) 에서알수있는바와같이, Case 1,2의 NEDC 모드시험결과클러치작동은총 4회이루어졌으며워터펌프의구동평균시간은약 8초정도였고, 미구동시간은 1분이상소요되는것으로파악되었다. 이는 Table 1에서와같이, 클러치제어온도범위가 15 로설정되어넓은제어영역을사용하기때문에, 실린더헤드의온도변화폭이크고클러치의 On/Off 횟수가적게나타났다. 실린더헤드부의온도는클러치워터펌프의경우가 Base 워터펌프보다빠른상승을하고, 엔진냉각수의온도가일정수준에도달하여써모스탯이열리는시점인 80 부근까지의상승시간이대략 1분 40초단축되었다. 엔진냉각수가실린더헤드를통해써모스탯을지나라디에이터로흐르게되는데, 워터펌프작동제어로직개선안인 Case 3,4에서는이러한써모스탯의온도를추가제어할수있도록 Table 2에서와같이, 제어인자로선정및로직을구성하였다. 또한 110 의온도근처에서엔진성 (b) Case 3,4 [Fig. 6] Temperature changes of engine head and thermostat at NEDC mode [Table 3] Comparison of emissions and fuel efficiency at NEDC mode Emission Base Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 HC CO NOx CO Fuel efficiency (km/l)

엔진냉각수유량단속에의한디젤차량의연비및배기가스특성연구 Table 3에서알수있는바와같이, Case 1,2의경우에연비는 1% 내외로다소향상되었다. On/Off 제어온도의넓은범위와워터펌프구동후클러치가작동되는온도가 80~85 로낮은조건이므로, 연비의성능향상효과가적은것으로판단된다. 하지만, 개선된제어로직을적용한클러치워터펌프의 Case 3,4 조건에서는 10.

5 엔진냉각수유량단속에의한디젤차량의연비및배기가스특성연구 Table 3에서알수있는바와같이, Case 1,2의경우에연비는 1% 내외로다소향상되었다. On/Off 제어온도의넓은범위와워터펌프구동후클러치가작동되는온도가 80~85 로낮은조건이므로, 연비의성능향상효과가적은것으로판단된다. 하지만, 개선된제어로직을적용한클러치워터펌프의 Case 3,4 조건에서는 10.3, 10.4 km/l의연비가각각측정되었으며, 이는기존워터펌프대비최대 5% 의연비가개선된것이다. 성능향상의주요한이유로는엔진의연소실온도가상승함에따라연료의기화가원활해지고, 연소조건도개선되었기때문이다. 그리하여, 유량단속식클러치워터펌프를적용할경우, 예열시간단축뿐만아니라주행중각적용차량에적합한최적의냉각수온도제어를통하여차량연비향상과 NOx를제외한배기가스저감효과를얻을수있었다. Base 워터펌프시험의배기가스측정결과는도시주행모드 (ECE) 동안 HC와 CO가과다발생되는데, 이는저온시동에의한초기불완전연소및농후공연비로인하여발생하는것이며, 이후냉각수온도가상승하고엔진의온도가정상수준으로올라가면서고속주행모드 (EUDC) 에서디젤산화촉매장치 (DOC) 가활성화되어 HC 와 CO의배출량이감소하였다. 반면에유량단속식클러치워터펌프를적용하여시험한결과, 초기시동시에워터펌프가미작동하므로엔진실린더블록과헤드의온도가빨리상승함으로인하여, 연소조건이개선되어 Base 워터펌프대비 HC 및 CO의배출량이도시주행및고속주행모드에서다소감소하는경향을 Fig. 7(a), (b) 에서알수있다. Fig. 7(c) 의 NOx 경우에는차량부하가증가하고, 이는엔진의온도상승을유발시켜연소실분위기온도가고온이되어흡입공기중의질소가산화되어발생하며, 클러치워터펌프의경우냉각수고온제어로인해기계식보다발생량이다소증가한것으로판단된다. 또한, 이러한조건에서의도시주행및고속주행모드에서웜업시간단축과냉각수고온제어를통하여지구온난화에지배적인영향을주는 CO 2 의감소효과를 Fig. 7(d) 에서확인할수있다. (b) CO (c) NOx (d) CO 2 [Fig. 7] Changes of HC, CO, NOx and CO 2 emissions at NEDC mode 4. 결론 본연구에서는차량의연비향상및배기가스저감을위해엔진냉각시스템에유량단속식클러치워터펌프를적용하여, 엔진의웜업단축효과와더불어차대동력계에서의엔진성능및배기가스에미치는영향을살펴보았으며, 이를통해서얻은결과는다음과같다. (a) HC (1) 유량단속식클러치워터펌프를적용함에따라, 저온시동시냉각수흐름을차단하여빠른웜업을유도하였고, 이로인해예열시간을기존워터펌프대비약 49% 정도까지단축시켰다. (2) 개발된 On/Off 제어로직에의하여전자기식클러치에의한냉각수를고온으로제어하는경우, 2073

6 한국산학기술학회논문지제 14 권제 5 호, 2013 NEDC 모드를기준으로엔진연소효율이개선되어최대 5% 정도의연비향상효과를나타내었다. 또한 NOx를제외한 HC, CO 및 CO 2 배기가스농도가전반적으로감소함을알수있었다. 향후, 실차의다양한운전조건에서의보다많은시험평가를수행함으로써, 전자기식클러치워터펌프의작동최적제어로직을개발하고, 그외에엔진냉각장치 ( 써모스탯등 ) 와의제어연계기술을개발할필요가있을것이다. References [1] M. Chanfreau, B. Gessier, A. Farkh and P. Yves Geels, The need for an Electrical Water Valve in a Thermal Management Intelligent System," SAE , DOI: [2] E. G. Ribeiro and A. P. de A. Fillho, Electric Water Pump for Engine Cooling," SAE , DOI: [3] Z. N. Cehreli, Cooling System Optimization on a 5-Cylinder Engine," SAE , DOI: [4] D. Robert and J. Chalgren, Thermal Comport and Engine Warm-Up Optimization of a Low-Flow Advanced Thermal Management System, SAE , 2004 DOI: [5] M. Choi, M. Park, S. Cho and S. Han, The Effect of Variable Water Pump Control of Diesel Engine on Decreasing Fuel Consumption," KSAE Spring Conference Proceedings, pp , [6] R. Krafft, A. Wolf and W. Faller, Electromagnetic Water Pump Clutch: Working Principle, Design Strategies and Applications for Heavy-Duty Vehicles," SAE , DOI: [7] 김성철 (Kim, Sung-Chul) [ 정회원 ] 1999 년 2 월 : 고려대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2001 년 2 월 : 고려대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2007 년 2 월 : 서울대학교기계항공공학부 ( 공학박사 ) 2007 년 4 월 ~ 현재 : 자동차부품연구원선임연구원 < 관심분야 > 미래형자동차, 모터 / 인버터 / 배터리 / 연료전지냉각, 공조 ( 냉난방 ) 시스템및열전달응용 2074

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ePapyrus PDF Document Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2013. 4), Vol. 24, No. 2, pp. 136~141 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2013.24.2.136 흡기관 분사식 수소 SI기관의 희박과급 적용에 관한 연구 이광주 1 ㆍ이종구 1 ㆍ이종태 2 1 성균관대학교